一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源与流程

本发明涉及一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，属于离子源技术领域。

背景技术：

近年来，离子束在工业方面的应用愈加广泛，主要有离子束刻蚀、半导体材料掺杂、离子束沉积、材料表面改性等。除工业领域外，离子束还广泛应用于基础应用研究、同位素分离、质谱学、聚变能、放射疗法等各领域学科，此外，离子束也可作为探测束用于二次离子质谱、加速器质谱、卢瑟福背散射、离子激发x射线荧光谱、核反应分析以及弹性反冲探测分析等方面。由此可见，离子束在现代科技中发挥着十分重要的作用。因此，离子源作为产生和输出离子束的设备，其重要性自然不言而喻。

目前，离子束通常是通过气体放电、电子束对气体原子或分子的碰撞；带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离，并被引出成束而产生。溅射型离子源主要有铯离子源，已广泛存在于2×1.7mv串列加速器，即通过加热液态铯，使得铯蒸汽在钽丝中离化成cs⁺，cs⁺撞击靶材，获得靶材离子。但铯离子源存在两个难以解决的问题。一是金属铯价格昂贵，剧毒，在空气中极易被氧化，所以需要一直密封在玻璃管中，且需要机械泵、分子泵维持真空；二是钽丝价格昂贵，易断裂，使用后不便清洗表面污染物，造成铯的离化率低，从而影响后续靶材的溅射率。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，成本低，安全可靠，无污染，能在不使用铯和钽丝的情况下获得离子束。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法，包括以下步骤：

(1)利用气体团簇离子源产生气体重团簇，平均团簇尺寸为1000个原子/团簇；

(2)气体重团簇轰击纳米靶材，在气体重团簇的团簇效应和纳米靶材的有限尺寸效应作用下靶物质被有效溅射出，形成单体和小团簇；所述小团簇为靶材原子结合所成的团簇，单个小团簇的原子数介于1到15之间；

(3)溅射出的单体和小团簇与电子碰撞被电离成离子，离子经过电场加速并进行磁质分离获得离子束流。

步骤(1)所述利用气体团簇离子源产生气体重团簇具体采用以下过程：通过超声喷嘴将高纯源气体绝热冷却并超声膨胀后喷出，形成中性团簇，中性团簇经过钨丝放电电离成气体团簇正离子。

步骤(2)所述纳米靶材采用以下过程制备：选取粒径小于100nm的纳米粉末，通过电动压片机压制成密度低于2.0g/cm³的纳米靶材。

步骤(3)所述溅射出的单体和小团簇通过离化器电离成离子。

步骤(3)所述离子通过加速器实现加速。

步骤(3)所述离子经过电场加速后通过单透镜实现聚焦。

步骤(3)所述离子经过电场加速后利用电磁铁实现磁偏转，获得射向目标物的离子束流。

本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇溅射固体离子源，包括由依次连通的气体团簇离子源管段、用于放置纳米靶材的溅射室和靶材原子溅射管段组成的真空腔室，所述靶材原子溅射管段依次设有第一离化器、第一加速器、单透镜和电磁铁。

所述气体团簇离子源管段设置有与输气管连通的超声喷嘴、第二离化器、第二加速器和e型永久磁铁。

所述溅射室中用于放置纳米靶材的靶材底座设有旋转装置。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源不使用铯和钽丝，降低了成本，且安全无污染；

(2)本发明采用气体重团簇离子作为轰击离子，一方面无毒无害、成本低，另一方面相比单原子离子的轰击，由于团簇效应的原因，靶材溅射率更大；

(3)本发明所使用的固体靶材由纳米粉末压制而成，密度低，且可通过控制电动压片机控制密度，这种靶材密度较小，颗粒间间接触较少，同时纳米靶材具有有限尺寸效应，即由于其纳米结构形貌，气体团簇离子的能量无法在靶材料中有效扩散，这导致碰撞点的能量密度很高，从而进一步增加了溅射率。

附图说明

图1是本发明提供的一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法工作原理示意图。

图2是采用氩团簇轰击不同密度的纳米硅靶的溅射率结果图。

图3是采用不同能量的氩团簇轰击纳米硅靶的溅射率结果图。

图中：1-输气管，2-超声喷嘴，3-第二离化器，4-第二加速器，5-e型永久磁铁，6-纳米靶材，7-第一离化器，8-第一加速器，9-单透镜，10-电磁铁，11-法拉第杯，12-样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法，包括以下步骤：

(1)利用气体团簇离子源产生气体重团簇，平均团簇尺寸为1000个原子/团簇；

(2)气体重团簇轰击纳米靶材，在气体重团簇的团簇效应和纳米靶材的有限尺寸效应作用下靶物质被有效溅射出，形成单体和小团簇；所述小团簇为靶材原子结合所成的团簇，单个小团簇的原子数介于1到15之间；

(3)溅射出的单体和小团簇与电子碰撞被电离成离子，离子经过电场加速并进行磁质分离获得离子束流。

步骤(1)所述利用气体团簇离子源产生气体重团簇具体采用以下过程：通过超声喷嘴将高纯源气体绝热冷却并超声膨胀后喷出，形成中性团簇，中性团簇经过钨丝放电电离成气体团簇正离子。

步骤(2)所述纳米靶材采用以下过程制备：选取粒径小于100nm的纳米粉末，通过电动压片机压制成密度低于2.0g/cm³的纳米靶材。

步骤(3)所述溅射出的单体和小团簇通过离化器电离成离子。

步骤(3)所述离子通过加速器实现加速。

步骤(3)所述离子经过电场加速后通过单透镜实现聚焦。

步骤(3)所述离子经过电场加速后利用电磁铁实现磁偏转，获得射向目标物的离子束流。

本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇溅射固体离子源，参照图1，包括由依次连通的气体团簇离子源管段、用于放置纳米靶材的溅射室和靶材原子溅射管段组成的真空腔室，所述靶材原子溅射管段依次设有第一离化器7、第一加速器8、单透镜9和电磁铁10。

所述气体团簇离子源管段设置有与输气管连1通的超声喷嘴2、第二离化器3、第二加速器4和e型永久磁铁5。

所述溅射室中用于放置纳米靶材6的靶材底座设有旋转装置。

所述气体团簇溅射固体离子源的工作原理为：为获得高束流离子，选用了密度低且由纳米粉末压制的靶材，轰击离子为无毒无害的气体重团簇。通过超声喷嘴2使得输气管1输入的高纯源气体绝热冷却并超声膨胀，形成中性团簇，第二离化器离化器3中的钨丝放电将中性团簇电离成气体团簇正离子，气体团簇离子在第二加速器4中获得速度和能量，经过e型永久磁铁5的质量分离，气体重团簇到达溅射室，溅射室中设置有一个可旋转的纳米靶材6，气体重团簇轰击纳米靶材6，将部分靶物质溅射出来，形成单体和小团簇，溅射出来的单体和小团簇在第一离化器7中被电离，然后经第一加速器8加速、单透镜9聚焦、电磁铁10偏转，离子到达目标法拉第杯11或样品12。

溅射靶材分别采用单晶硅片(密度为2.34g/cm³)、直径为60nm的硅粉压制的低密度纳米硅靶(密度分别为1.36g/cm³、1.46g/cm³、1.54g/cm³)，所用的气体重团簇为氩团簇，平均团簇尺寸为1000atoms/cluster，团簇能量51.7kev。经过5.8×10¹⁵/cm²的剂量轰击溅射靶材后，获得的溅射率如图2所示。单晶硅片的溅射率仅14.35atoms/cluster，而密度1.54g/cm³、1.46g/cm³、1.36g/cm³的纳米硅靶获得的溅射率依次为19.2、31.4、32.6atoms/cluster，远高于单晶硅片的。

溅射靶材采用纳米硅靶(密度为1.36g/cm³)以及单晶硅片(密度为2.34g/cm³)，所用的气体重团簇仍然为氩团簇，平均团簇尺寸为1000atoms/cluster，团簇剂量5.8×10¹⁵/cm²。经过不同能量的氩团簇轰击溅射靶材后，获得的溅射率如图3所示。对于两种硅靶，在17.25kev至69kev范围内，其溅射率均随着气体团簇能量的增加而增大，并且，纳米硅靶的溅射率总高于单晶硅片。

本发明提供的一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，成本低，安全可靠，无污染，能在不使用铯和钽丝的情况下获得离子束。